Печать по живому. Как биопринтеры учатся создавать ткани и органы
Медицина живет с простым, но неприятным фактом: донорских органов катастрофически не хватает. Миллионы пациентов по всему миру стоят в листах ожидания. А когда орган наконец находится, возникает другая проблема: иммунная система воспринимает его как чужой объект и может начать атаку. Поэтому люди после пересадок годами принимают лекарства, подавляющие иммунитет.
3D-биопечать предлагает другой подход к решению проблемы: создавать ткани и прототипы органов из клеток самого пациента. В теории это снижает риск отторжения и позволяет в перспективе печатать ткани по запросу — как индивидуальный заказ, а не случайно найденную «деталь».
По оценке российских исследователей, ежегодно в мире выполняется более 160 тыс. трансплантаций органов и более 250 тыс. пересадок тканей и клеток человека. До 90 тыс. — это почки, 32 тыс. — печень, 8 тыс. — сердце. Но даже эти цифры — лишь малая часть реальной потребности. Решить проблему может биопринтинг. Еще недавно это звучало как дерзкая фантастика: напечатать кожу, хрящ или даже будущий орган прямо из клеток пациента. Сегодня такие эксперименты проходят в лабораториях и научных институтах по всему миру.
Из чернил в ткань: как работает биопечать
Принцип биопечати похож на обычную 3D-печать: объект создают послойно. Только вместо пластика используются биочернила — смесь живых клеток, питательной среды и гидрогелей.
Эти гели повторяют внеклеточный матрикс — биологическую «решетку», на которой держатся клетки. В него входят коллаген, гиалуроновая кислота, гликопротеины и минералы. Такая среда помогает клеткам выживать, обмениваться сигналами и формировать связи.
При этом сама биопечать — не одна-единственная технология, а целое семейство методов. Например, экструзионные биопринтеры работают путем экструзии био-чернил через сопло. Эти принтеры позволяют печатать с использованием различных биоматериалов и клеток. Вторая технология - микроджетинг – похож на струйные принтеры, которые выбрасывают маленькие капли био-чернил на подложку для создания структур. А еще одна технология - лазерно-индуцированной прямой записи - использует лазер для передачи клеток и биоматериалов на подложку.
Модель будущей ткани строят по медицинским изображениям — МРТ или КТ конкретного пациента. Так результат получается точно подходящим по форме и размеру.
Напечатанная ткань — еще не готовый орган. Ей нужно «созреть». Для этого используют биореактор — устройство, в котором ткань получает питательные вещества, кислород и механические стимулы, как в настоящем теле.
От первых принтеров до первых органов
Официально отцом 3D-печати считается американский изобретатель Чарльз (Чак) Халл, который представил ее миру в 1983 году. Однако первое подобие 3D-принтера появилось в 1981 году, изобрел его японец Хидео Кодама, и он же первым подал заявку на патент технологии, но не предоставил в нужный срок необходимые документы.
В 1980–1990-х годах были запатентованы еще несколько видов трехмерной печати, а на рынке стали появляться первые компании-игроки в этой сфере, такие как Stratasys и 3D Systems Corporation, которые являются лидерами и в наше время.
Уже в конце 1990-х исследователи Wake Forest Institute for Regenerative Medicine вырастили в лаборатории и имплантировали пациентам мочевой пузырь из их собственных клеток. Это была технология тканевой инженерии на готовом каркасе, и именно такой подход стал основой современных технологий 3D-биопечати.
Что уже получается напечатать
Настоящие успехи есть — и их становится больше, хотя до полноразмерных органов еще далеко.
- Кожа. Это одна из самых освоенных тканей. Биопечатные кожные покрытия уже тестируют для лечения ожогов, а в фармацевтике и косметологии такие модели используют, чтобы проверять безопасность новых средств без экспериментов на животных.
- Хрящ. Идут клинические испытания имплантатов хряща на основе собственных клеток пациента и 3D-печатных или других биоматериалов. Их рассматривают как промежуточный шаг к будущим полностью биопечатным имплантатам.
- Кровеносные сосуды малого диаметра. Они пока экспериментальные, но уже существуют модели, которые выдерживают давление и сохраняют проходимость — хотя пока в лабораторных и доклинических условиях.
- Печеночные органоиды. Это не полноценная печень, а миниатюрные производящие ферменты «островки». Их используют для изучения болезней и тестирования новых препаратов, когда нужна человеческая ткань, а целый орган получить невозможно.
Важно отметить, что пока нет биопринтеров, которые выдают готовые органы размером с сердце или почку, и нет клинически одобренных полноразмерных биопечатных имплантатов для человека. Исследователи продвигаются в этом направлении, но пока речь идет о прототипах и исследованиях, а не о рутинной практике.
Кто ведет гонку: карта мира
Мир 3D-биопечати становится все более глобальным — но лидеры и направления, в которых реально продвигают технологии, уже выделились.
- Россия: от мышей до орбиты
Первые эксперименты в России начались еще десять лет назад — с появления биопринтера, созданного компанией 3D Bioprinting Solutions. На нем в 2015 году напечатали щитовидную железу и успешно пересадили лабораторной мыши — на тот момент это был мировой прецедент.
Сейчас направление активно поддержано государством: в 2024 году биопечать вошла в нацпроект «Новые технологии сбережения здоровья». Параллельно университеты и научные центры тестируют новые подходы — от биочернил и тканевых каркасов до роботизированных систем.
Один из самых заметных шагов — экспериментальная операция, в которой роботизированный биопринтер наносил клеточный материал прямо в ране пациента. Ее провели в 2023 году в госпитале имени Бурденко. По сообщениям разработчиков, эта технология может в будущем помочь при лечении сложных травм мягких тканей, но сейчас остается на раннем этапе исследований.
В университетах появляются прототипы напечатанных тканей — искусственная кожа, хрящ, барабанная перепонка. А в космосе российский магнитный биопринтер «Орган.Авт» печатает тканевые структуры в невесомости.
А в МИСИС разработали мобильное устройство, которое наносит биополимерный гель с клетками прямо на поврежденные ткани. Строго говоря, это не классическая 3D-биопечать, а технология in situ-регенерации, когда материал формирует ткань уже внутри организма. Такой подход особенно ценен в условиях травм и ЧС, где нет возможности использовать стационарные биопринтеры. Устройство уже прошло доклинические испытания на животных и показало более быстрый эффект заживления по сравнению с традиционными покрытиями.
- США: от лаборатории к клинике
США остаются главным полюсом развития биопечати благодаря сочетанию университетских лабораторий, военной медицины, венчурного капитала и широкой клинической базы. Один из ключевых игроков — Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM). Именно здесь впервые успешно имплантировали пациентам орган, выращенный из собственных клеток в лаборатории — тот самый мочевой пузырь.
Сегодня WFIRM работает над десятками типов тканей: от кожи и хряща до печёночных и почечных прототипов, пригодных для дальнейшей доработки. Один из самых обсуждаемых проектов — мобильный биопринтер, который печатает кожу прямо на раневой поверхности. Эта разработка должна помочь в лечении ожогов и сложных кожных дефектов.
Помимо университетских центров, экосистему поддерживают такие компании как Organovo, Allevi, Advanced Solutions Life Sciences и многие другие: они разрабатывают биопринтеры, материалы и сервисы для исследовательских лабораторий и фармы.
Согласно отраслевым отчетам, Северная Америка удерживает около 38% мирового рынка биопечати, что отражает концентрацию инфраструктуры, исследований и готовности внедрять технологию в клиническую практику.
В частности, ученые из США разработали микрофлюидную систему биопечати, которая позволяет печатать ткани в масштабе одной клетки — гораздо точнее обычных 3D-биопринтеров. Такая технология теоретически способна воспроизводить сложные органы вроде почки или печени, комбинируя разные типы клеток так же, как принтер смешивает цвета.
- Европа: осторожная стратегия
Евросоюз делает ставку на стандарты и совместные консорциумы — путь медленный, но системный. Европейская комиссия рассматривает биопечать как одну из перспективных технологий, которая способна изменить подход к трансплантации, фармакологии и созданию биоматериалов.
На практике это означает объединение университетов, клиник, инженеров и стартапов в крупные исследовательские проекты. Одним из ключевых игроков стала шведская компания BICO Group — производитель биопринтеров и биочернил, которые стоят более чем в 2 тыс. лабораторий по всему миру.
Пока нет подтвержденных случаев пересадки человеку именно 3D-биопринтованных тканевых имплантатов. Но есть клинические исследования смежных технологий — например, регенерации хряща с использованием аутологичных клеток и биоматериалов, — которые рассматриваются как промежуточный шаг к будущим клиническим испытаниям биопечатных конструкций.
- Азия и Океания: масштаб и эксперименты
Китай финансирует крупные центры и пилотные клинические программы — приоритеты: ткани для кардиологии, ожоговой медицины, лечения осложнений диабета и реконструктивной хирургии.
В Австралии Университет Вуллонгонга считается одним из пионеров биочернил и печати сложных многослойных тканей. Сингапур развивает биопечать кожи и органоидов в связке с биобанками и клиническими задачами. А корейские ученые разработали экспериментальную технологию 3D-биопечати, способную уничтожать раковые клетки. Такой метод помогает клеткам дольше выживать и точнее попадать в опухоль. Пока метод протестирован в лабораторных моделях, до клиники ему ещ далеко.
Сроки, правила и этика
Все громче в мировом сообществе звучит вопрос - когда все это станет нормой. Осторожный ответ: неизвестно. Оптимисты говорят о 10–20 годах, но большинство исследователей уточняет: прогнозы в таких областях всегда условны. Создать орган — значит не только напечатать ткань, но и заставить её жить, расти, соединяться с нервами и сосудами.
Даже если завтра появится готовый орган, путь от лабораторного образца до реальной операционной займет годы. Биопечатные ткани должны пройти длинный коридор регуляторных процедур: от токсикологии и доклиники до крупных многоцентровых испытаний.
Для новых технологий регенеративной медицины пока нет универсальных правил — их создают по мере появления самих технологий. И это один из главных факторов, которые тормозят путь от прототипа к реальному пациенту.
Вместе с развитием технологии появляются и новые вопросы. Если можно напечатать ткань под каждого, кто будет решать, кому она достанется первой? Станут ли такие технологии доступными или останутся редкой медицинской привилегией? Эти вопросы кажутся теоретическими, но уже завтра станут частью обсуждений в медицинских комитетах, университетах и регуляторных советах. Наука движется быстро.
Друзья, а мы продолжаем следить за развитием медицины и за открытиями ученых, подписывайтесь! Телеграм-канал, Дзен